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为什么4~20mA信号更合适应用在工业现场?

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  • 发布时间:2014/7/2 22:36:59
  • 作者:银河电气

  4~20mA、0~20mA、DC(0~5V、0~10V)信号制是国际电工委员会(IEC)过程控制系统用模拟信号标准,它们之间有什么不同,为什么4~20mA跟其他几种信号相比会更加广泛用在工业现场呢?

一、为什么要用4~20mA信号

  在工业现场,如果采集的信号经调理后是电压信号并且进行长线传输,会产生以下问题:第一,由于传输的信号是电压信号,传输线会很容易就受到噪声的干扰;第二,传输线的分布电阻会产生电压降;第三,在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响,工业现场大量采用电流来传输信号。采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大,导线电阻串联在回路中不影响精度,在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA 是因为防爆的要求:20mA 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯,而低于4mA 高于20mA 的信号用于各种故障的报警下限。之所以没有取0mA 的原因是为了能检测断线:正常工作时不会低于4mA,当传输线因故障断路,环路电流降为0。

二、4~20mA与电压信号的对比

  电压信号传输比如 0~5(10)V ,如果一个模拟电压信号从发送点通过长的电缆传输到接收点,那么信号可能很容易失真。原因是电压信号经过发送电路的输出阻抗,电缆的电阻以及接触电阻形成了电压 降损失。由此造成的传输误差就是接收电路的输入偏置电流乘以上述各个电阻的和。 如果信号接收电路的输入阻抗是高阻的,那么由上述的电阻引起的传输误差就足够小,这些电阻也就可以忽略不计。要求不增加信号发送方的费用又要所提及的电阻忽略,就要求信号接收电路有一个高的输入阻抗。如果用运算放大器 OP 来做接收方的输入放大器,就要考虑到此类放大器的输入阻抗通常是小于 <1MΩ 。原则上,高阻抗的电路特别是在放大电路的输入端是很容易受到电磁干扰从而会引起 很明显的误差。所以用电压信号传输就必须在传输误差和电磁干扰的影响之间寻找一个折中的方案。 而如果一个电流源作为发送电路,它提供的电流信号始终是所希望的电流而与电缆的电阻以及接触电阻无关,也就是说,电流信号的传输是不受硬件设备配置的影响的。

电压信号传输的结论: 如果电磁干扰很小或者传输电缆长度较短,一个合适的接收电路毫无疑问是可以用来传输电压信0~5(10)V 的。

三、4~20mA与0~20mA信号的对比

  0~20mA信号同样用于接收不同的传感器输出信号。4~20MA比0~20MA多出了故障检测的功能。目前,4~20mA是国标信号制。而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警(包括断线)。如果接收到的电流信号为零,那么一定是电缆断了或者信号接收方面出了问题。如果电流信号超过 20mA 就意味着输入端方面的信号过载或者信号接收方面有问题。 而0~20mA不能判断。

四、4~20mA电流环工作原理

  4~20mA电流环有两种类型:二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时,一般采用三线制变送器,这里XTR位于监控的系统端,由系统直接向XTR供电,供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统是XTR和传感器位于现场端,由于现场供电问题的存在,一般是接收端利用4~20mA的电流环向远端的XTR供电,通过4~20mA来反映信号的大小。

  二线制4~20mA电路应用,其工作电源和信号共用一根导线,工作电源由接收端提供。为了避免50/60Hz的工频干扰,采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题:确定所用接收器的数量,当有多个接收器时,它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。


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